Forschungsprojekt
Unterwasser-Positionierungssystem
Projektlaufzeit
2025–2026
Rolle und Beitrag
Projektleiter und Hauptentwickler (Gesamtverantwortung)
Eingesetzte Technologien und Kompetenzen
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Embedded-Hardware-Entwicklung (OrCAD: Schaltplan & PCB-Layout)
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Embedded-Software-Entwicklung (STM32: C)
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Mechanische Konstruktion (CAD)
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Hardware-Integration
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Wissenschaftliches Publizieren (IEEE)
Einführung
Die Unterwasserpositionierung stellt weiterhin eine erhebliche Herausforderung dar, da GPS- und Infrarotsignale durch Wasser stark gedämpft werden, während akustische Methoden in geschlossenen Umgebungen wie Abklingbecken oder Brandschutzreservoirs unter starken Signalreflexionen leiden.
Um dieses Problem zu lösen, entwickelte ich ein Active Fiducial Marker System (aktives Referenzmarker-System), das eine zentimetergenaue Unterwasserpositionierung ermöglicht, um die präzise Inspektion aquatischer Umgebungen zu erleichtern.
Active Fiducial Marker System
Das Active Fiducial Marker System nutzt ein Array aus 475-nm-Blau-LEDs – speziell ausgewählt für ihre minimale Wasserabsorption –, um dynamisch Markermuster zu erzeugen.
Das System verwendet einen stroboskopischen Betrieb, bei dem die Marker jeweils nur für wenige Millisekunden beleuchtet werden. Diese Technik eliminiert effektiv Störungen durch externes Umgebungslicht. Darüber hinaus „friert“ der Stroboskopeffekt die Bewegung ein, was eine zuverlässige Lokalisierung ohne Bewegungsunschärfe selbst bei sich schnell bewegenden Robotern ermöglicht.
Da die Marker aktiv beleuchtet werden, kann zudem die visuelle Kommunikation mittels ArUco-Mustern simultan zum Lokalisierungsprozess erfolgen.
Technische Umsetzung
Ich entwickelte das komplette Systemmodul einschließlich der Leiterplatte (PCB) und des Unterwassergehäuses, wobei die Steuerung der Markermuster durch einen STM32-Mikrocontroller (MCU) realisiert wurde. Die Spannungsregler- und LED-Steuerschaltung wurde speziell darauf ausgelegt, die hohen impulsartigen Strombelastungen während des stroboskopischen Betriebs zu bewältigen.
Das System wurde erfolgreich in den PKRC-Unterwasserroboter integriert, um hochpräzise Inspektionsaufgaben in gefährlichen Umgebungen von Kernkraftwerken, wie etwa Abklingbecken und Brandschutzreservoirs, durchzuführen.
Die Forschungsergebnisse wurden in IEEE Access veröffentlicht, einer peer-reviewten wissenschaftlichen Fachzeitschrift des Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE).
Systemübersicht des Active Fiducial Marker Systems
Relative Positionierung zwischen Robotern mittels des vorgeschlagenen Systems (Sep. 2025)
Präzise Unterwasser-Positionierung des Roboters mittels Active Fiducial Marker System (Sep. 2025)
Vergleich des vorgeschlagenen aktiven (links) und passiven Markers (rechts) unter verschiedenen Beleuchtungsbedingungen (Sep. 2025)
Unterwassergehäuse und Leiterplatte für das System (Sep. 2025)